Nitrogén ciklus A nitrogén körforgása a természetben, milyen mikroorganizmusok játszanak szerepet az egyensúly fenntartásában.

Az előadások a következő témára: "Nitrogén ciklus A nitrogén körforgása a természetben, milyen mikroorganizmusok játszanak szerepet az egyensúly fenntartásában."— Előadás másolata:

1 Nitrogén ciklus A nitrogén körforgása a természetben, milyen mikroorganizmusok játszanak szerepet az egyensúly fenntartásában

2 A nitrogén természetes körforgása
Nitrogén szerepe a természetben A nitrogén természetes körforgása

3

4

5 Nitrogén fixálás a légköri nitrogén (N2) mikrobiális megkötése során ammóniává redukálódik nitrogenáz enzimkomplexum által, majd asszimilálódik szerves vegyületekbe. Nitrogénmegkötő baktériumok: Azotobacter, egyes Clostridium, egyes Streptomyces, Chlorobium, egyes Pseudomonas fajok, az Anabaena, a Rhizobium, a Bradyrhizobium fajok stb. A nitrogénmegkötő baktériumok tevékenysége teszi lehetővé, hogy a légköri N2 a többi élőlény számára is hozzáférhetővé váljék, és ez a készlet is része legyen a nitrogén ciklusnak. (A villámlások hatására a légköri N2-ből képződő nitrogén-oxidok egy része szintén a növények rendelkezésére áll, de a mennyisége elhanyagolható a nitrogénfixáló baktériumok által megkötötthöz képest.) A Rhizobium, a Bradyrhizobium fajok a nitrogén megkötésére csak akkor képesek, ha szimbiózisban élnek pillangósvirágú növényekkel (pl. bab, borsó, lencse, szója, lóhere, csillagfürt stb.)

6

7 Nitrifikáló mikroorganizmusok
Környezetünkben a nitrogén tartalmú szervesanyagok mikrobiális tevékenységnek köszönhetően lebomlanak, miközben ammónia keletkezik. Amennyiben több ammónia keletkezik, mint amennyire a sejteknek szüksége van, a felesleg a környezetben felhalmozódik, a pH-tól függően ammónia vagy ammónium ion formájában. A természetes környezetben általában 1-10 mg NH4+-N/L koncentrációban van jelen, de állatfarmokról származó szennyvízben akár 1000x-s mennyiségben is lehet. A trágya ammónia tartalmát a nitrifikáló baktériumok nitritté, majd nitráttá oxidálják, miközben szén-dioxidot asszimilálnak. A leggyakoribb ammónia hasznosítók a Nitrosomonas és Nitrococcus fajok. A képződő nitritet a Nitrobacter fajok alakítják tovább nitráttá. A keletkező nitrát a denitrifikáló baktériumok számára elektronakceptorként hasznosítható. A nitrifikáló Nitrosomonas és Nitrobacter fajok a Nitrobacteriaceae családba tartozó Gram-negatív, kemolitoautotróf baktériumok. Alkalmazásuk szempontjából komoly hátrány, hogy szaporodásuk lassú. Mivel autotróf módon szaporodnak, energiájukat az ammónia illetve a nitrit oxidálásából nyerik, így szerves szénforrást a szaporításukhoz nem igényelnek. Mindkét baktérium növekedéséhez szükség van homok, vagy más, a baktérium kikötődésére alkalmas anyagra

8 NH4+ NO2- Nitrosomonas europaea
NO2- NO3- Nitrobacter winogradskyi Nitrobacter winogradskyi Nitrosomonas europaea

9 Energia nyerő folyamat Nitrosomonas-ban
Energia nyerő folyamat Nitrosomonas-ban. Két enzim, az ammonia monooxigenáz (AMO) és a hidroxilamin oxidoreduktáz (HAO) vesz részt az ammónia nitritté oxidálásában

10 NXR: nitrit oxidáló enzimkomplex

11 Nitrobacter elektrontranszport

12 "anaerobic ammonium oxidation".
Anammox baktériumok "anaerobic ammonium oxidation". 30 nap reprodukciós idő ‘Brocadia anammoxidans’ A: anammoxosome N: bacterial nucleoid Alacsony költségek Nincs CO2 emisszió!

13

14 Anammoxosoma enzimrendszere
Membrán Létrás lipid: egyedi Ciklobután gyűrűk összefűződve hidroxilamin citoplazma HH periplazma hidrazin Planktomyceta anammox baktériumok: Brocadia anammoxidans Kuenenia stuttgartiensis Scalindua sorokinii Kokkoid formák, kisebbek, mint 1 mm Anaerob kemolitoautotrófok Generációs idejük nap

15

16 A nitrát problémakörének bemutatása
A nitrogénkörforgás természetes egyensúlya felborult Hígtrágya kezelés hiánya Szabályozatlan, túlzott műtrágyázás A rétegvizekben koncentrációja túlzottan megnőtt Anaemia-s megbetegedések kialakulásáért felelős Fogyasztásra, sőt még öntözésre is alkalmatlan a fúrt kutak vize

17 A nitrát emberi szervezetre gyakorolt hatásai
Bekerülési módok

18 A nitrát emberi szervezetre gyakorolt hatásai
Bekerülési módok

19 8,6 mg/l 11,3 mg/l

20 A nitrát egészségkárosító hatásai
Methemoglobinaemia: 1-2 évnél fiatalabb csecsemő, gyerek, Fe2+  Fe3+, metilén kék 0,5- 3% fiziológiás, 10 % tünetmentes, de cianózis ! 25% vérnyomás esés, 30-40% fejfájás, gyengeség, hasmenés 50-60% letargia, kóma, 70% fulladásos halál Rákos folyamatok kialakulása: stabil nitrozaminoknak kell kialakulni NO mg/kg/nap és NO mg/kg/nap magában, nincs hatás gyomor pH, antioxidánsok, C,E vitaminok

21 Nitrát mennyiségének kontrollálása
A nitráttal kapcsolatos általános környezeti problémák (eutrofizáció, növekvő N2O emisz- szió) és a methemoglobinaemias megbetegedések egyre gyakoribb kialakulása szükségessé tette, hogy a nitrát környezetben megengedhető maximális koncentrációját törvényileg sza- bályozzák. A hetvenes években világszerte meghatározták azokat a még ma is érvényben lévő egészségügyi határkoncetrációkat, amelyek alatt még megengedett a nitrát mennyisége a talajban vagy a talajvízben. Ivóvíz szabványok: 1970 ENSZ egészségügyi szervezete (WHO) 11 mg/l NO3--N 1974 EPA 10 mg/l NO3--N-ben és 1 mg/l NO2--N 1978 Magyarország 9 mg/l NO3--N és 0.3 mg/l NO2--N (40 mg/l NO3-, 1 mg/l NO2-) Németország és Dél-Afrika (4 mg/l NO3--N)

22 Nitrát mennyiségének kontrollálása
Kormány rendeletek A VIZEK MEZŐGAZDASÁGI EREDETŰ NITRÁTSZENNYEZÉSSEL SZEMBENI VÉDELMÉRŐL 49/2001. (IV. 3.) Korm. rendelet A jó mezőgazdasági gyakorlat szabályai a vizek nitrátszennyezésének megelőzése, csökkentése érdekében Az alapvető cél a vizek nitrátszennyezésének megelőzése, csökkentése oly módon, hogy egyben biztosítani lehessen a növények optimális tápanyagellátását, valamint a talajok termékenységének fenntartását. 1. Mennyiségi korlátozás Mezőgazdasági területre éves szinten szerves trágyával kijuttatott nitrogén mennyisége nem haladhatja meg a 170 kg/ha értéket, beleértve a legeltetés során az állatok által közvetlenül kijuttatott, továbbá a szennyvizekkel és szennyvíziszapokkal kijuttatott mennyiséget is. 2. Trágyázási tilalmi időszakok Tilos a trágya kijuttatása december 1. és február 15. között. Gyors hatású, könnyen oldódó nitrogéntrágya, így trágyalé, hígtrágya, ammónium- és nitráttartalmú műtrágya betakarítás után nem juttatható ki szántóterületre, amennyiben oda az adott évben nem kerül újabb kultúra. Ha megfelelő talajfedettséget biztosító növény kerül még az adott évben a területre, fenti anyagok felhasználhatóak, de a trágyázás és a vetés közötti időszaknak rövidnek kell lennie (legfeljebb 14 nap). 3. Trágyakijuttatás erősen lejtős mezőgazdasági területen A 20%-nál meredekebb lejtésű területeken trágyát csak a növénnyel fedett területen vagy azonnali bedolgozás mellett szabad használni. 4. Trágyázás vízzel telített, fagyott, hótakaróval borított talajokon Nem juttatható ki trágya fagyott, vízzel telített, összefüggő hótakaróval borított talajra. 5. A trágyázás szabályai a vizek környezetében trágya nem juttatható ki felszíni víztől, forrástól, emberi fogyasztásra, illetve állatok itatására szolgáló kúttól 10 m-es sávban, amennyiben jogszabály ettől eltérően nem rendelkezik. 6. Állattartó telepek trágyatároló műtárgyainak kialakítására vonatkozó szabályok

23 Nitrát mennyiségének kontrollálása
Kormány rendeletek A VIZEK MEZŐGAZDASÁGI EREDETŰ NITRÁTSZENNYEZÉSSEL SZEMBENI VÉDELMÉRŐL 49/2001. (IV. 3.) Korm. rendelet 6.1. Hígtrágya tároló élettartama legalább 20 év legyen. A tárolóhelynek legalább 4 havi hígtrágya, trágyalé, csurgalékvíz befogadására elegendő méretűnek kell lennie, hogy biztosított legyen a tilalmi időszakokban biztonságos tárolásuk. 6.2. Istállótrágya tároló A tárolókapacitásnak elegendőnek kell lennie legalább 8 havi istállótrágya tárolására. Így 7. Mezőgazdasági területek trágyázásának szabályai A trágyakijuttatás során alapvető követelmény, hogy a nitrátkimosódás a lehető legkisebb legyen. A trágyázást pontos adagban és egyenletesen kell végezni, kerülve az átfedéseket. 7.1. Hígtrágya hasznosítása Hígtrágya csak talajtani szakvéleményre alapozott talajvédelmi hatósági engedély birtokában juttatható ki mezőgazdasági területre. A hígtrágya hasznosítására szolgáló terület talaját, továbbá a talajvíz szintjét és minőségét - elsősorban nitráttartalmát - 3 évente meg kell vizsgálni. A vizsgálat eredményeit meg kell küldeni a talajvédelmi hatóságnak. 7.2. Istállótrágya felhasználása 7.3. Műtrágyázás szabályai 8. Egyéb követelmények 8.1. Erózió 8.2. Öntözés

24 A nitrátérzékeny területen lévő települések
1500 kisebb-nagyobb települést érint pl: Ajka, Balatongyörök, Baja, Budakeszi, Dombóvár, Eger, Gödöllő, Gyermely, Herend, Hévíz, Kapuvár, Keszthely, Kiskőrös, Kiskunhalas, Mohács, Mosonmagyaróvár, Nagykanizsa, Paks, Siófok, Sümeg, Szilvásvárad, Szombathely, Tokaj, Vecsés, Velence, Zalaegerszeg, Zamárdi, Zirc

25 Magyarország területének 44 %-a
nitrát érzékeny

26 Nitrát mentesítő technológiák
Kémiai Biológiai Kombinált

27 Nitrátmentesítő technológiák
kémiai I H2O NO3- CH2 N+ CH3 Cl- n ) ( OH Benzil-trimetil-ammonium Benzil-dimetil-etanol-ammonium Benzil-tripropil-ammonium + Ioncserélő gyanta

28 Nitrátmentesítő technológiák
kémiai I H2O Ioncserélő gyanta H2O NO3-

29 Nitrátmentesítő technológiák
kémiai I H2O Ioncserélő gyanta H2O NO3-

30 Nitrátmentesítő technológiák
kémiai I regenerálás Ioncserélő gyanta H2O Cl- HCO3- (NaCl) (NaHCO3)

31 Nitrátmentesítő technológiák
kémiai I H2O + tömény NO3-, Na+ + Cl-, HCO3- regenerálás Ioncserélő gyanta effluens, H2O Cl- HCO3- Környezetvédelmi probléma, szennyvíz

32 Nitrátmentesítő technológiák
kémiai II membrán NO3- egyensúly membrán NO3- kiindulás Hatékony, de: az anionokat mindig kísérik a kationok, lágy víz nagy mennyiségű, híg szennyvíz keletkezik

33 Nitrátmentesítő technológiák
kémiai II/ kombinált membrán NO3- egyensúly membrán NO3- kiindulás NO3- N2 NO2- szénforrás Denitrifikáló baktériumok hatása Az egyensúly eltolása denitrifikáló baktérium Hatékony, de: az anionokat mindig kísérik a kationok, lágy víz nagy mennyiségű, híg szennyvíz keletkezik

34 biológiai Nitrátmentesítő technológiák NO NO2- NO3- 1/2 N2 1/2 N2O
Denitrifikáló bioreaktor Bakteriális denitrifikáció

35 + Nitrátmentesítő technológiák Denitrifikáció NO3- N2
Kombinált rendszerek Denitrifikáció NO3- N2 Lineáris működtetésű, biztonságos rendszer + Kémiai nitrátmentesítés NO3- szennyvíz

36 összetett biológiai denitrifikáló rendszer
NO3- CO2 + N2 Immobilizáló mátrix cellulóz szál Pseudomonas denitrificans Acetivibrio cellulolyticus Az elterjedt nitrátmentesítő rendszerek hátránya, hogy a baktériumokat csak mechanikai szűrővel veszik körül, és a működésükhöz szükséges szerves anyag kikerülhet a tisztított vízbe (és ez potenciális fertőzés veszélyt jelenthet). Laboratóriumunkban kifejlesztett eljárás két új tulajdonsággal rendelkezik: 1. A fajok közötti hidrogén transzfer segítségével a denitrifikáló mikroorganizmusok nitrát redukciójához szükséges H2-t egy hidrogén termelő mikroorganizmus biztosítja. A H termelő egyedek energia forrásukat szerves anyagból (pl.: ipari szennyvizek, cukrok, cellulóz) szerzik. 2. Új immobilizálási technikánk segítségével a mikroorganizmusok a térben olyan közel esnek egymáshoz, hogy a termelt hidrogén hatékonyan adódik át a denitrifikáló baktériumoknak.

37 NO3- + H2O NaCl N2 H2 C6H12O6 (C6H12O6)n H2O NaNO3 Az eljárás előnyei:
Ion-cserélő gyanta Ion-cserélő gyanta bioreaktor H2 C6H12O6 (C6H12O6)n H2O NaNO3 Az eljárás előnyei: - steril körülmények - térbeli közelség a fajok között könnyebb hidrogén transzfer - energiaforrás szervesanyag nitrátmentesítés kapcsolható szennyvíztisztítással - hatékony

38 Nitrátmentesítő technológiák
biológiai Nemzetközi felmérések eredményei szerint egy átlagos talaj teljes aerob élő csíraszáma 2-5 x 108 db baktérium g-1 talaj-ra tehető (ehhez képest az anaerob baktériumok száma egy nagyságrenddel kisebb), míg a denitrifikációra képes mikroorganizusok mennyisége átlagban 2 x 106 db baktérium g-1 talaj (Gamble és mtsai. 1976, Chéneby és mtsai. 2000). A Pseudomonas genus az egyike azoknak a domináns csoportoknak, ahová a talajok denitrifikációra képes baktériumai tartoznak. Emellett az Alcaligenes, Burkholderia- Ralstonia, Xanthomonas-Frateuria, Bacillus és Streptomyces csoportok jellemzőek

39 A bakteriális denitrifikáció
végterméke inert nitrogén gáz, N2 körforgás biztosítása megfelelő rendszer és baktérium esetében hatékony bakteriális biofilm, vagy rögzített sejtekkel a redukcióhoz szerves, vagy szervetlen elektron donorokra szükség van a folyamat érzékeny: oxigén, pH, hőmérséklet, nehézfémek, só! az ilyen technológiák, rendszerek utótisztítást igényelnek

40 A bakteriális denitrifikáció
enzimrendszere A P. stutzeri denitrifikációs enzimrendszere Zumft szerint (1997) AP: nitrát nitrit anitoporter; NAR: nitrát-reduktáz (légzési); NIR: nitrit- reduktáz; NOR: NO-reduktáz; N2OR: N2O-reduktáz; NAP: periplazmatikus nitrát-reduktáz. A konstitutív aerob anyagcsere elektrontranszport lánca szürkével jelölve. NO3-  NO2-  NO  N2O N2

41 A bakteriális denitrifikáció
szabályozás, enzimszintű a rendszerben jelenlévő nitrát részlegesen gátolja a nitrit-reduktáz működését a nitrát, nitrit-reduktázok működésének sebessége más lehet (Martienssen, Schöps) a felhalmozódó intermedierek (NO2-, NO) a sejt globális enzimatikus működésére hatnak nitrit-reduktáz bifunkcionális enzim, citokróm aktivitással is rendelkezik (O2 és NO2-) nitrit-reduktáz működése pH függő nitrit-reduktáz működését magas sókoncentráció gátolja

42 A bakteriális denitrifikáció
szabályozás, enzimszintű A denitrifikálók Martienssen és Schöps féle rendszere A A: nitrát légzők, csak nar gén, nitrit akkumuláció

43 A bakteriális denitrifikáció
szabályozás, enzimszintű A denitrifikálók Martienssen és Schöps féle rendszere B A A: nitrát légzők, csak nar gén, nitrit akkumuláció B: komplett denitrifikálók, nitrát-, nitritredukció sebessége azonos

44 A bakteriális denitrifikáció
szabályozás, enzimszintű A denitrifikálók Martienssen és Schöps féle rendszere B C A A: nitrát légzők, csak nar gén, nitrit akkumuláció B: komplett denitrifikálók, nitrát-, nitritredukció sebessége azonos C: komplett denitrifikálók, nitritredukció folyamata lassabb

45 A bakteriális denitrifikáció
szabályozás, enzimszintű

46 Bioremediációval kapcsoltan
alkalmazható Oxigenáz enzimek képesek különböző szerves vegyületek bontására oxigénigényes enzimatikus folyamatok !!! Oxigénhiányos környezetben nitrát lehet az alternatív megoldás, akár magas nitrát tartalmú szennyvíz formájában

47 O2 O2 Klasszikus remediációs technológiák Levegőztető csövek
Talaj forgatás O2 O2

48 Alternatív elektronakceptorok
NO3- SO42- CO2 N2 O. O. O.